| Предыдущий раздел | Оглавление | Следующий раздел |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
Потоки
Цель работы: Получение практических навыков по использованию Win32 API для исследования потоков
Методические указания к выполнению лабораторной работы
Дескрипторы и идентификаторы потоков
Функция CreateProcess возвращает идентификатор и дескриптор первого потока, выполняющегося во вновь созданном процессе. Функция Create Thread тоже возвращает идентификатор потока, но область действия которого – вся система.
Поток может использовать функцию GetCurrentThreadId, чтобы получить собственный ID. Функция GetWindowThreadProcessId возвращает идентификатор того потока, который создал конкретное окно.
Наконец, поток может вызывать функцию GetCurrentThread для получения собственного псевдодескриптора. Как и в случае псевдодескрипторов процессов, псевдодескриптор потока может использоваться только для вызова процесса и не может наследоваться. Можно использовать функцию Duplicate Handle для получения настоящего дескриптора потока по его псевдодескриптору так же, как это делается в процессах.
Приоритет потоков
Термин многозадачность или мультипрограммирование, обозначает возможность управлять несколькими процессами (или несколькими потоками) на базе одного процессора. Многопроцессорной обработкой называется управление некоторым числом процессов или потоков на нескольких процессорах.
Компьютер может одновременно выполнять команды двух разных процессов только в многопроцессорной среде. Однако даже на одном процессоре с помощью переключения задач можно создать впечатление, что одновременно выполняются команды нескольких процессов.
Синхронизация потоков
Выполняющимся потокам часто необходимо каким-то образом взаимодействовать. Например, если несколько потоков пытаются получить доступ к некоторым глобальным данным, то каждому потоку нужно предохранять данные от изменения другим потоком. Иногда одному потоку нужно получить информацию о том, когда другой поток завершит выполнение задачи. Такое взаимодействие обязательно между потоками как одного, так и разных процессов.
Синхронизация потоков (thread synchronization) – это обобщенный термин, относящийся к процессу взаимодействия и взаимосвязи потоков. Синхронизация потоков требует привлечения в качестве посредника самой операционной системы. Потоки не могут взаимодействовать друг с другом без ее участия.
В Win32 существует несколько методов синхронизации потоков. В зависимости от конкретной ситуаций один метод более предпочтителен, чем другой.
Критические секции
Один из методов синхронизации потоков состоит в использовании критических секций (critical sections). Это единственный метод синхронизации потоков, который не требует привлечения ядра Windows. (Критическая секция не является объектом ядра). Однако этот метод может использоваться только для синхронизации потоков одного процесса.
Критическая секция – это некоторый участок кода, который в каждый момент времени может выполняться только одним из потоков. Если код, используемый для инициализации массива, поместить в критическую секцию, то другие потоки не смогут войти в этот участок кода до тех пор, пока первый поток не завершит его выполнение.
До использования критической секции необходимо инициализировать ее с помощью процедуры Win32 API InitializeCriticalSection(). После заполнения записи в программе можно создать критическую секцию, поместив некоторый участок ее текста между вызовами функций EnterCriticalSection() и LeaveCriticalSection().
Синхронизация с использованием объектов ядра
Многие объекты ядра, включая процесс, поток, файл, мьютекс, семафор, уведомление об изменении файла и событие, могут находиться в одном из двух состояний – "свободно" (signaled) и "занято" (nonsignaled). Посредством вызова функций WaitForSingleObject и WaitForMultipleObjects поток приостанавливает свое выполнение до того момента, когда заданный объект (или объекты) перейдет в состояние "свободно".
Мьютекс – это объект ядра, который можно использовать для синхронизации потоков из разных процессов, создается с помощью вызова функции CreateMutex. Он может принадлежать или не принадлежать некоторому потоку. Если мьютекс принадлежит потоку, то он находится в состоянии "занято". Если данный объект не относится ни к одному потоку, то он находится в состоянии "свободно". Другими словами, принадлежать для него означает быть в состоянии "занято".
События используются в качестве сигналов о завершении какой-либо операции. Однако в отличие от мьютексов они не принадлежат ни одному потоку. Например, поток А создает событие с помощью функции CreateEvent и устанавливает объект в состояние "занято". Поток В получает дескриптор этого объекта, вызвав функцию OpenEvent, затем вызывает функцию WaitForSingleObject, чтобы приостановить работу до того момента, когда поток А завершит конкретную задачу и освободит указанный объект. Когда это произойдет, система выведет из состояния ожидания поток В, который теперь владеет информацией, что поток А завершил выполнение своей задачи.
Семафоры. Существует еще один метод синхронизации потоков, в котором используются семафорные объекты API. В семафорах применен принцип действия мьютексов, но с добавлением одной существенной детали. В них заложена возможность подсчета ресурсов, что позволяет заранее определенному числу потоков одновременно войти в синхронизуемый участок кода. Для создания семафора используется функция CreateSemaphore().
Семафоры могут быть полезны при совместном использовании ограниченных ресурсов. Предположим, имеется три приложения, каждое из которых должно выполнить вывод на печать, а у компьютера только два параллельных порта. Установив семафор с начальным значением счетчика ресурсов, равным двум, можно заставить приложения запрашивать сервис печати только тогда, когда есть свободный параллельный порт.
Ждущий таймер (waitable timer) представляет собой новый тип объектов синхронизации, поддерживаемый в Windows NT версии 4.0 и выше. Это полноценный объект синхронизации, который может использоваться для организации задержки в одном или нескольких приложениях.
Ждущий таймер работает в трех режимах. В режиме "ручного сброса" таймер переходит в установленное состояние при истечении заданной задержки и остается установленным до тех пор, пока функция SetWaitableTimer не задаст новую задержку. В режиме "автоматического сброса" таймер переходит в установленное состояние при истечении заданной задержки и остается установленным до первого успешного вызова функции ожидания. В этом режиме он напоминает объект Event в режиме автоматического сброса, поскольку каждый раз при истечении времени задержки разрешается выполнение лишь одной нити. Наконец, ждущий таймер может выполнять функции интервального таймера, который перезапускается с заданной задержкой после каждого срабатывания объекта.
Задание для выполнения лабораторной работы
Разработать программу, реализующую решение одной из следующих задач согласно варианту с визуализацией результатов работы. В программе должно быть предусмотрено сравнение выполнения задания с синхронизацией потоков и без них.
| № варианта | Задание |
|---|---|
| 1 | Выполнение нескольких арифметических операций разного приоритета. |
| 2 | Имитация снятия денег со счета несколькими клиентами для наличия положительного баланса. |
| 3 | Обращение к элементам связанного списка несколькими приложениями с целью исключения транзакций. |
| 4 | Проиллюстрировать глобальность объекта ядра Mutex. |
| 5 | Работа с несколькими текстовыми файлами (например, копирование содержимого в поле Memo) с использованием одной символьной переменной |
| 6 | Построение графиков нескольких функций с использованием одной переменной |
| 7 | Вычисление сумм нескольких рядов с использованием одной переменной |
| 8 | Заполнение нескольких массивов разными рекуррентными соотношениями с использованием одной переменной |
| 9 | Исключение гонок при работе с базами данных |
| 10 | Исключение гонок для прорисовки графических объектов |
Примечание: допускается постановка и выполнение любой другой задачи, предполагающей для своего решения механизмы межпроцессного взаимодействия по согласованию с преподавателем.
Видео выполнения работы
Ход выполнения лабораторной работы
Потребуется создать три класса
- BankAccount - банковский аккаунт с определенным начальным балансом, у которого также есть следующие методы:
- takeMoney - происходит снятие денег с баланса;
- checkBalance - проверка баланса;
- Client - описывает действия клиента. От класса Client порождается множество экземпляров (клиентов). Действие клиента только одно - это снять как можно больше денег, когда они, конечно же, есть на балансе счета;
- BankingSystemMutex - точка входа в программу. Здесь задается количество клиентов и сколько будет денег на их общем счету. После следует активировать всех клиентов (объекты от класса Client);
В программе один распределяемый ресурс между потоками (клиентами) - это один банковский счет. Методы синхронизации позволяют, чтобы банковским счетом, а именно операцией по снятию денег, в одну единицу времени мог пользоваться только один клиент, чтобы баланс счета не ушел в минус.
1-ый способ
Пометить метод takeMoney (снятие денег со счета), как синхронизируемый, для этого перед именем метода написать ключевое слово synchronized.
2-ой способ
Использовать принцип критической секции. Для этого тело метода takeMoney поместить в synchronized(this){}
3-ий способ
Нужно усовершенствовать программу. Теперь, чтобы снять деньги со счета, нужно войти в кабинку, в которой выдаются деньги, при этом кабинка рассчитана только на 3-х человек. Для реализации данной задачи по синхронизации создан класс семафор. В классе BankingSystemMutex создать объект класса Semaphore, в конструктор которого нужно передать вместительность кабинки, после следует передать данный семафор в конструктор каждому клиенту при их создании.
Чтобы понизить количество свободных мест в кабинке мы используем метод acquire, чтобы освободить место в кабинке метод release.
| Предыдущий раздел | Оглавление | Следующий раздел |